西工大苏海军团队Compos B Eng：高速定向凝固助力高热稳定纳米复合共晶陶瓷

导读

随着温度升高，材料内部紧密排列的微观粒子振动加剧，材料的微观结构将向着整体能量更低的形式转变。大多数情况下，这种转变会使材料的使用性能和寿命下降，进而严重限制材料的服役条件。因此，如何设计材料的成分和微观结构来抑制这种结构转变趋势一直是材料科学领域的热点问题。一直以来，元素掺杂是人们关注的热点方法，其基本原理是通过引入异质结构对材料高温结构转变过程设置障碍，提升稳定性。此外，也可以激活化学有序化或者晶界偏析等机制，降低高温结构转变的驱动力，进而阻止或者减缓材料高温失效。近20年来，晶界弛豫受到广泛关注，该方法利用材料的剧烈塑性变形，诱导低能晶界的形成，降低材料结构高温粗化的驱动力，可以显著提升纳米材料的高温稳定性。值得注意的是，该方法可以在单质金属材料中实现，避免了元素掺杂存在的材料回收难题。此外，通过进一步约束变形形成的Schwarz结构甚至可以使纳米材料在接近熔点的温度保持稳定。

利用定向凝固获得原位自生复合的耐高温共晶复合材料在近20年来也受到了广泛关注，该方法的主要优势是既能通过自发形成的共格/半共格低能相界面降低结构粗化的驱动力，又可以依靠交替的复相结构抑制微观粒子的热运动，同样可以使材料在接近熔点的温度保持结构和性能不降低，且可以实现大块体材料的制备，具有广泛的应用前景。然而，目前只能在微米结构尺度实现以上效果。在纳米尺度，这种耐高温机制能否继续发挥作用，定向凝固能否成为解决纳米材料热稳定性难题的有效方法，一直缺乏一锤定音的研究报道。

成果掠影

最近，西北工业大学苏海军教授团队依靠激光悬浮区熔高梯度定向凝固技术提供的超高凝固速度(1080mm/h)成功制备了具有均匀纳米层-棒结构的Al₂O₃–Y₃Al₅O₁₂(YAG)–ZrO₂共晶复合陶瓷棒，在此基础上系统研究了该材料的高温组织稳定性。研究表明，高速定向凝固依然可以诱导形成高度织构的纳米复合共晶结构，其相界面结构在长时间热暴露前后均为低能界面，可以赋予材料优异的高温结构热稳定性，其纳米结构在1573 K的高温保持100 h后依然未出现明显粗化。此外，通过与陶瓷材料的传统烧结方法在热稳定方面进行了对比研究，揭示了凝固共晶特有的高温结构演化模式，使其在高温环境下依然可以保持材料硬度、结构尺度与均匀性、内部孔隙尺寸，密度等指标的稳定性，明显优于传统烧结方法。

相关研究成果以” Excellent thermal stability of nanostructured Al₂O₃–Y₃Al₅O₁₂–ZrO₂eutectic ceramic composites by high-speed directional solidifcation” 为题发表在Composites part B: engineering上。(DOI: 10.1016/j.compositesb.2023.111035)

图文解析

图1，均匀纳米层-棒结构的Al₂O₃–YAG–ZrO₂共晶复合陶瓷。a 激光悬浮区熔定向凝固过程；b 试棒宏观形貌；c 试棒横截面BSE图；d 试棒纵截面BSE图；e-f 层状和棒状结构的TEM图

图2，热暴露前后微观组织对比。a-b 原始组织；c-d 1573K保温100小时后组织；e-f 1773K保温100小时后组织

图3，Al₂O₃–YAG–ZrO₂共晶复合陶瓷试样的EBSD生长取向表征。a-b 试棒横截面Al₂O₃相的IPF图和对应的极图；c-d 试棒横截面YAG相的IPF图和对应的极图；e-f 试棒横截面ZrO₂相的IPF图和对应的极图

图4，Al₂O₃–YAG–ZrO₂共晶复合陶瓷试样原始相界面结构。a-c Al₂O₃–YAG界面的HRTEM图以及对应的取向标定图和IFFT图；d-f Al₂O₃–ZrO₂界面的HRTEM图以及对应的取向标定图和IFFT图；g-i YAG–ZrO₂界面的HRTEM图以及对应的取向标定图和IFFT图

图5，Al₂O₃–YAG–ZrO₂共晶复合陶瓷试样在1773K保温100小时后的相界面结构。a-c Al₂O₃–YAG界面的HRTEM图以及对应的取向标定图和IFFT图；d-f Al₂O₃–ZrO₂界面的HRTEM图以及对应的取向标定图和IFFT图；g-i YAG–ZrO₂界面的HRTEM图以及对应的取向标定图和IFFT图

图6，Al₂O₃–YAG–ZrO₂共晶复合陶瓷结构粗化过程解析

图7，Al₂O₃–YAG–ZrO₂共晶复合陶瓷与同成分传统热压烧结陶瓷的热稳定性对比。a-b 烧结试样热暴露前后的硬度测试压痕对比；c-d 定向凝固试样热暴露前后的硬度测试压痕对比

成果启示

该工作系统深入的评估了高速定向凝固技术在解决纳米材料热稳定性方面的潜力，结果表明高速定向凝固在材料取向织构、界面优化方面具有明显优势，是提升纳米材料热稳定的有效手段，这为攻克纳米材料热稳定性差难题提供了重要的理论和技术参考，通过进一步优化成分设计，后续有望进一步取得更具突破性的进展。

通讯作者简介

苏海军，西北工业大学材料学院教授、博士生导师。国家“万人计划”滚球体育 创新领军人才，国家优秀青年科学基金获得者，中国有色金属创新争先计划获得者，入选国家首批“香江学者”计划，陕西省“青年滚球体育 新星”、陕西高校青年创新团队学术带头人和陕西重点滚球体育 创新团队带头人。长期从事先进定向凝固技术与理论及新材料研究研究，涉及高温合金、超高温复合陶瓷、结构功能一体化复合材料，以及激光增材制造等。主持包括国家自然基金重点、优青等7项国家基金在内的30余项国家及省部级重要科研项目，在Nano Energy，Advanced Functional Materials，Nano Letters，Composites part B: engineering，Additive manufacturing等众多知名期刊发表论文160余篇。获授权中国发明专利50项以及2项美国发明专利。参编专著3部。获陕西高校科学技术研究优秀成果特等奖、陕西省科学技术一等奖、陕西省冶金科学技术一等奖、全国有色金属优秀青年滚球体育 奖和陕西青年滚球体育 奖各1项。